《Sensors and Actuators A: Physical》：Shape memory thermoplastic polyurethane for tailoring flexural ultrasonic transducer dynafmics
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弯曲超声换能器（flexural ultrasonic transducer, FUT）是空气耦合超声测量领域的重要组成部分，但其动力学特性通常在制造后固定且难以调整。本研究提出并验证了一种基于增材制造的形状记忆聚合物（shape memory polym
弯曲超声换能器（flexural ultrasonic transducer, FUT）是空气耦合超声测量领域的重要组成部分，但其动力学特性通常在制造后固定且难以调整。本研究提出并验证了一种基于增材制造的形状记忆聚合物（shape memory polymer, SMP）板的FUT，实现了可逆且主动的动力学调谐。研究人员利用热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane, TPU）基SMP作为FUT的振动板，通过热刺激实现几何重构，从而调整换能器的动态响应。研究采用电学阻抗分析、激光多普勒测振及空气声学测量对两种名义相同的SMP-FUT（SMP-FUT1与SMP-FUT2）进行了实验表征，并结合有限元模拟加以验证。结果表明，通过将SMP板重塑为平坦基准态、凹面态和倾斜态三种构型，单个换能器可在约6 kHz范围内实现共振频率的可逆偏移，并调控声学带宽、机械品质因数及波束指向性。实测与模拟共振频率在所有构型下的偏差均在5.5%以内。该研究确立了一种利用SMP实现FUT动力学可定制化的设计方法，为自适应空气耦合超声传感、过程监测及空中触觉等应用提供了新途径。
**论文解读：基于形状记忆热塑性聚氨酯的弯曲超声换能器动力学定制**
**1. 研究背景与问题提出**
空气耦合超声换能器在工业计量、接近传感、过程监测及无损检测等非接触测量技术中具有广泛应用。传统换能器工作机制多样，包括压电陶瓷激励、电磁声换能器的电磁激励以及电容式微机械超声换能器的电容变化原理等。在实际应用中，换能器与空气介质之间存在严重的声学阻抗失配问题，例如室温下软锆钛酸铅压电陶瓷的声阻抗约为36 MRayl，而空气仅为415 Rayl，严重限制了能量传递效率。传统解决方案是设计匹配层，但这可能影响换能器的机械完整性和环境耐受性。弯曲超声换能器无需声匹配层即可实现空气耦合超声传感。传统FUT由压电陶瓷圆片与弹性金属板（如钛或铝）粘接组成。其动态响应主要受弹性板振动主导，可用边缘夹紧板振动理论（Leissa板理论）描述，其中共振频率取决于板的杨氏模量、几何尺寸、边界条件及弯曲刚度等参数。然而，金属板的FUT带宽较窄，且制造后动力学特性难以定制，环境温度波动等外部因素亦会影响性能。因此，实现FUT共振频率和动态特性的主动调谐具有重要意义，例如可补偿环境压力或温度变化，或根据测量环境中的干扰调整特性，亦可在空中触觉等应用中定制超声束轮廓。已有研究尝试利用镍钛诺合金（Nitinol）作为FUT板，利用其温度相关相变特性切换杨氏模量，但材料成本高且难以精密加工。因此，本研究旨在探索增材制造形状记忆聚合物（SMP）用于FUT板的可行性，利用SMP的形状记忆效应实现FUT动力学的主动且快速定制。
**2. 研究方法概述**
本研究设计并制造了两个名义相同的SMP-FUT（SMP-FUT1和SMP-FUT2）。其中，SMP板由商用TPU基4D打印SMP丝材通过熔融沉积建模（FDM）制成，压电陶瓷片选用软PZT5A1（CeramTec公司），通过氰基丙烯酸酯/丙烯酸混合环氧树脂粘接于SMP板下表面。外部壳体采用Formlabs Rigid 10K树脂通过立体光刻（SLA）制造。研究定义了三种几何构型：平坦基准态、凹面态（1.5 mm凹陷）和倾斜态（10°倾斜角）。利用SMP的形状记忆效应，在60 °C（高于材料玻璃化转变温度Tg）下对SMP-FUT进行加热重塑，冷却后锁定临时形状，实现几何重构。主要表征手段包括：电学阻抗分析（Keysight E4990A）测定共振频率；激光多普勒测振（Polytec MSA-100-3D）进行实验模态分析；远场声学测量（GRAS 46 DP-1麦克风）获取A扫描信号、声压级、-6 dB带宽及-3 dB波束宽度。有限元模拟通过COMSOL Multiphysics 6.2实施，采用声-压电相互作用多物理场接口，模拟结果与实验结果在5.5%以内吻合。
**3. 主要研究结果**
**3.1 机电响应**
电学阻抗谱分析显示，SMP-FUT1和SMP-FUT2在所有三种构型下均呈现清晰的共振-反共振特性。共振频率随板几何构型变化而变化：平坦基准态最高，凹面态最低，倾斜态居中。实测与模拟共振频率吻合良好，最大偏差5.50%（SMP-FUT1凹面态），平坦基准态偏差最小（1.30%和2.77%）。五次形状记忆循环后的共振频率稳定性测试显示，SMP-FUT1在平坦基准态的串联共振频率均在0.9 kHz以内波动，平均约39.6 kHz，表明重塑过程不显著退化动态响应，具备良好可重复性。
**3.2 激光多普勒测振模态分析**
激光多普勒测振结果表明，三种构型下SMP-FUT均表现出类似传统（1,0）弯曲模态的振动形态。平坦基准态呈现经典（1,0）模态，与有限元模拟及电学测量结果吻合良好，对应速度谱峰值为40.75 kHz。凹面态共振频率最低（36.75 kHz），倾斜态居中（38.60 kHz）。虽然Leissa平板理论严格仅适用于平坦夹紧板，但非金属柔性板仍能产生清晰的（1,0）型模态，这对其实际应用具有意义。
**3.3 波束指向性与辐射模式**
远场极性辐射图显示，所有构型均辐射良好定义的主瓣和对称副瓣。-3 dB波束宽度在35°至45°之间，与商用金属FUT及文献报道的SLA-FUT水平相当。凹面态产生最窄且最聚焦的波束（35°），倾斜态的主瓣出现略微离轴的不对称性。平坦基准态的峰值声压级最高（SMP-FUT1为90.1 dB，SMP-FUT2为89.9 dB），凹面态次之，倾斜态最低。带宽和机械品质因素Qm数据显示，倾斜态具有最高Qm（13.28和15.80）和最窄带宽，归因于10°板倾斜引入的几何刚化效应；凹面态则结合了较宽带宽与最窄波束。SMP-FUT2平坦基准态的带宽异常偏窄（2.78 kHz，Qm 14.20），归因于两个换能器之间的微小制造差异。
**3.4 实用A扫描与信噪比**
时域A扫描表明，所有构型下SMP-FUT均产生清晰且定义良好的接收信号，具有相对较短的振铃时间，有利于在多反射或干扰环境中进行测量。FFT频谱分析确定平坦、凹面和倾斜态的工作频率分别为41.70 kHz、35.70 kHz和40.50 kHz（SMP-FUT1），验证了平坦态与凹面态之间约6 kHz的可逆共振频率调谐范围。实测信噪比均在17.6 dB至33.1 dB范围内，可满足实际应用要求。
**3.5 基于几何重构的自适应调谐**
综合结果表明，将SMP集成到FUT中作为板可实现可逆、多参数的动态调谐：共振频率偏移约6 kHz，带宽与Qm可调，波束方向性可改变。与传统Nitinol基FUT需持续加热维持调谐状态不同，SMP方法在冷却至玻璃态后无需额外能量即可保持调谐构型。同时SMP材料成本较低，有利于广泛的应用推广。
**4. 讨论与结论**
本研究的讨论部分指出，SMP-FUT的动态性能与工作环境温度密切相关。所用SMP的玻璃化转变区域为47-62 °C，高于典型室温环境，因此在标准工业环境条件下具有动态稳健性；对于更高温度环境，需选择合适转变温度的SMP。此外，湿度或物理老化也可能影响动态响应。研究结论表明，通过在单个换能器内实现多频、多模态乃至波束控制，SMP-FUT为自适应空气耦合超声传感器开辟了新途径，潜在应用包括接近传感、过程监测和空中触觉等。未来的研究方向包括开发SMP的热力学本构模型以及提高不同换能器之间的制造一致性。
**结论翻译**：本研究通过增材制造的热塑性聚氨酯形状记忆聚合物板，展示了两种几何可重构弯曲超声换能器的设计与制造。通过离散双态操作，单个SMP-FUT可实现约6 kHz的共振频率偏移和形状恢复，以及可调的带宽和机械品质因数。超声束轮廓也可受控，同时在所有定义的构型下保持实用的声输出。实测与模拟共振频率在所有三种构型下均在5.5%以内紧密吻合。实际意义在于，单个可重构换能器可以覆盖多种声学工作条件，从而简化自适应接近传感、过程监测和空中触觉的系统设计。
